基于“力與運動”觀念的學(xué)習(xí)進階教學(xué)實踐研究

侯愛琴+鄒志宇

摘 要：“力與運動”是多國科學(xué)課程內(nèi)容中的核心概念。把“力與運動”牛頓運動定律這一章作為基于大概念的進階教學(xué)實踐活動內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生在“力與運動”這一核心概念處的認知障礙分布情況，在教學(xué)環(huán)節(jié)上提出基于學(xué)習(xí)進階的改進，并進行基于學(xué)習(xí)進階的教學(xué)實踐。

關(guān)鍵詞：力與運動；進階；教學(xué)實踐；大概念

一、研究設(shè)計

1.整體思路

常規(guī)教學(xué)：以學(xué)科課程標準、考試說明、人教版課本和教學(xué)參考書為主要備課依據(jù)，確定三維目標，為完成三維目標開展教學(xué)實踐活動，并完成課后練習(xí)，最后參加檢測。

基于學(xué)習(xí)進階的教學(xué)研究設(shè)計：教師首先基于大概念的觀念，確定本章知識的進階關(guān)系，然后設(shè)計圍繞核心概念的前測題（以了解學(xué)生的前有認知），分析確定學(xué)生學(xué)習(xí)認知中的臺階和迷思概念，進行教學(xué)設(shè)計，并設(shè)計相應(yīng)的科學(xué)實踐活動或教學(xué)環(huán)節(jié)，最后實施教學(xué)，通過后測，反思教學(xué)。

2.樣本的選擇

我們預(yù)設(shè)：我們高一共10個教學(xué)班，分為三個層次，1、2兩個教學(xué)班是直升班，基礎(chǔ)特別好，有部分學(xué)生已經(jīng)提前學(xué)習(xí)了高中課程，所以此次教學(xué)實踐沒有選擇該層次班級；3、4班是實驗班，基礎(chǔ)比較好，思維層次較好，本次選擇4班為實驗班，3班為對比班（但兩個班不是同一任課教師）；5、6、7、8、9、10班為六個平行班，基礎(chǔ)一般，思維層次一般，分屬三位老師任教，本次選擇6班、10班（同一位教師任課）作為實驗班，其余5、7、8、9班作為對比班。

實際情況：對前測結(jié)果分析如表1，從前測中3班和4班、6班和10班的標準差、均分對比，可以看出：3班與4班沒有明顯差距，可以把3班選為對比班，4班選為實驗班；6班和10班沒有明顯差距，選擇6班為實驗班，10班為對比班。（此為同一位任課教師，在前測和平時學(xué)業(yè)水平測試中兩班均分、標準差分布基本處于同一層次）

二、基于大概念的牛頓運動定律這一章分析設(shè)計

1.整體預(yù)設(shè)

依據(jù)前測，明確學(xué)習(xí)進階的“階梯”。

經(jīng)過對前測試題反饋的分析，確定在牛頓運動定律這一章，圍繞“力與運動”這一大觀念下的物理觀念如下：

（1）物體在不受力或所受合力為零時，將保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)；

（2）物體所受合外力不為零時，產(chǎn)生加速度；

（3）力的作用是相互的；

（4）運用牛頓運動定律研究物體受力與運動關(guān)系；

（5）力學(xué)單位制。

2.根據(jù)學(xué)習(xí)進階需要，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容序列

3.根據(jù)學(xué)習(xí)進階中學(xué)生迷失概念，重新整體設(shè)定章節(jié)的教學(xué)目標

把知識教學(xué)和能力教學(xué)作為兩個核心要素，以“大觀念教學(xué)”為核心，整體設(shè)定本章教學(xué)目標。

原課程標準中的目標要求：

知識目標：

（1）通過實驗，探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系；

（2）理解牛頓運動定律；

（3）用牛頓運動定律解釋生活中的問題；

（4）通過實驗認識超重和失重；

（5）認識力學(xué)單位制在物理學(xué)中的重要意義，知道國際單位制中的力學(xué)單位。

能力目標：

關(guān)于探究、認識、理解及其他能力培養(yǎng)均為隱性教學(xué)方式。

以大概念為核心的目標設(shè)定：

知識目標：

水平1：根據(jù)日常生活情境，歸納總結(jié)力與運動的關(guān)系；

水平2：利用已有的知識和科學(xué)推理方法，完成力和運動的邏輯推斷；

水平3：根據(jù)受力情況，定性分析推斷物體運動的變化趨勢，或根據(jù)物體運動情況，分析推斷受力情況；

水平4：確定力和運動的定量關(guān)系，并可以把推理過程和結(jié)果正確表達出來；

水平5：把“力與運動”納入原有概念系統(tǒng)，面對各種真實情景，能有意識地從“力與運動”角度尋找關(guān)聯(lián)，并分析、綜合、解釋、猜想、驗證。

能力目標：

（1）探究、認識、理解；

（2）科學(xué)解釋能力、科學(xué)推理能力的培養(yǎng)；

（3）從“運動與力”的關(guān)系角度思考問題的素養(yǎng)，采用顯性教學(xué)方向；核心科學(xué)方法：控制變量法。

4.根據(jù)學(xué)習(xí)進階理論，給學(xué)生搭建臺階，完成教學(xué)流程再造

5.圍繞大概念教學(xué)，建立科學(xué)模型，完成概念進階

6.教學(xué)環(huán)節(jié)對比

原教學(xué)設(shè)計：實驗（伽利略理想斜面實驗）：小球在U形斜槽中的運動。

設(shè)問：小球從某一高度沿斜面下滑時，有加速的現(xiàn)象，當(dāng)小球到達斜面底端開始向上運動時，速度減小，小球最終所達到的高度將怎樣？降低斜面的表面粗糙程度，小球所達到的高度將怎樣變化？

合理外推，理想斜面：如果斜面是光滑的，小球又當(dāng)如何呢？

實驗3：斜面小球?qū)嶒?/p>

①減小對接U形槽的一側(cè)斜面的傾角，觀察小球的運動情況。設(shè)問：看到什么現(xiàn)象？什么原因？

②再次減小對接U形槽的一側(cè)斜面的傾角，重復(fù)實驗。設(shè)問：又看到什么現(xiàn)象？什么原因？

③把該側(cè)斜面傾角降為零度，水平放置，重復(fù)上面實驗。設(shè)問：通過觀察，同學(xué)們想一想，如果右面的斜面變成了水平面，小球?qū)⒃鯓樱?/p>

合理外推，理想斜面：如果水平面上沒有任何阻力，小球又將怎樣？追問：這個情況該如何描述？

伽利略觀點：如果該側(cè)斜面變成水平面，并且沒有任何阻力，小球?qū)⑦_不到原來的高度，就應(yīng)永遠運動下去。

綜合提升：力不是維持物體運動的原因。

大膽猜想，理想實驗4：如果軌道無限長，存在著一個小球不受任何力（包括重力）的環(huán)境，小球是怎么一直運動下去的呢，沿直線還是水平面呢？

笛卡爾支持伽利略“力不是物體運動原因”的觀點，并且還強調(diào)沒有力作用時物體的運動情況。endprint

笛卡爾觀點：如果沒有其他原因，運動物體將繼續(xù)以同一速度沿著一條直線運動并且一直運動下去。

綜合提升：沒有外力，物體沿直線運動。

過渡：這應(yīng)該作為一個原理加以確立，并且是整個自然界的基礎(chǔ)。

基于學(xué)習(xí)進階的教學(xué)設(shè)計：伽利略的理想斜面實驗

實驗1：小球在鋪上毛巾的U形斜槽中運動，觀察小球的運動。

實驗2：小球在鋪上綢子的斜槽中運動，再觀察小球的運動。

問題：比較兩次小球的高度，原因是什么？

實驗3：小球在沒有鋪任何材料（相對光滑）的斜槽中運動，預(yù)測小球能達到的高度與前兩次比會怎樣？

合理外推到理想狀態(tài)：如果斜槽光滑，小球又將運動到哪個高度呢？

實驗4：減小一側(cè)斜面的傾角，在相同高度釋放小球，注意觀察。

發(fā)現(xiàn)：小球運動到距離出發(fā)點更遠的位置處。

實驗5：進一步減小斜面的傾角，同一高度釋放小球，小球運動的距離就會進一步增加，達到的位置就會更遠。

實驗6：使傾角減小到零，軌道位于水平面上，從同一高度釋放小球，觀察小球運動。

問題：假如斜面足夠長，假如斜面沒有摩擦，小球?qū)⑷绾芜\動？

回顧整個實驗過程：

梳理研究思路：

實驗事實：小球從斜面滑下，會滑到與之對接的斜面上；如果斜面摩擦因數(shù)逐漸減小，小球滑上的高度會逐漸升高；

理論外推：如果斜面摩擦因數(shù)減為零，小球會滑到與釋放點等高處。

實驗：如果把斜面傾角減小，小球會走較長的路程到達相應(yīng)高度；繼續(xù)減小斜面傾角，小球會走更遠的路程，到達相應(yīng)高度。

理想外推：當(dāng)斜面傾角越來越小，接近于零時，右側(cè)斜面將成為水平面，在滿足理想化條件即不受外力和無限遠時，小球?qū)⑦\動到無限遠，即，小球要保持原來的勻速運動狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。

說明：理想斜面實驗只是得到牛頓第一定律的外因，牛頓第一定律成立的內(nèi)因則是由慣性所決定的。

在初中斜面實驗的設(shè)計上，沒有加右側(cè)斜面，在高中，隨著學(xué)生思維能力的提高，處理復(fù)雜問題能力的增強，實驗中加設(shè)了右側(cè)實驗，其實是引入了能量的思想。

本理想化的實驗，并非局限于現(xiàn)象的展示與外線操作，而是調(diào)動“極限”這一邏輯思維方法的參與，引導(dǎo)學(xué)生體驗從“有限”到“無限”變化的質(zhì)變，從而以合乎邏輯的方式導(dǎo)出理想化條件，幫助學(xué)生跨越初中的思維迷失斷點。

三、對本研究的思考

1.對“學(xué)習(xí)進階”教學(xué)設(shè)計與教學(xué)實踐的反思

（1）教學(xué)設(shè)計中，針對學(xué)生迷思概念設(shè)計的進階輔助還需要加強。其實牛頓第一定律和牛頓第三定律中為增進學(xué)生學(xué)習(xí)的進階已經(jīng)設(shè)計了不同的教學(xué)環(huán)節(jié)，比如牛一律中運用演示實驗層層逼近理想斜面實驗，牛三律利用傳感器來突破“相互作用力的大小與運動狀態(tài)無關(guān)”，但教師在學(xué)習(xí)進階的對比教學(xué)中，另外的對比班級很難完全抑制同樣思想的誘導(dǎo)，總會不自覺地把相關(guān)觀念傳遞給學(xué)生。

學(xué)生從原有的認知水平發(fā)展到課標要求和教學(xué)目標預(yù)設(shè)的認知水平之間需要經(jīng)過真實的進階過程。進階的過程可分為幾種類型：①通過澄清迷思概念實現(xiàn)學(xué)習(xí)進階。例如牛頓第三定律，學(xué)生學(xué)習(xí)前有許多迷思概念，如兩個質(zhì)量不一樣物體間的相互作用總感覺質(zhì)量大的作用力大，兩個形變不一樣的物體間的相互作用感覺不易形變的作用力大，兩個相互作用物體間感覺主動物體的作用力大等，通過教學(xué)設(shè)計與實踐引導(dǎo)學(xué)生澄清這些迷思概念，才能實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的進階。

（2）對物理概念、規(guī)律理解的深入程度、綜合程度實現(xiàn)學(xué)習(xí)進階。例如牛頓第三定律，學(xué)生雖然在初中學(xué)習(xí)過作用力與反作用力的關(guān)系，但是基于物體與平衡狀態(tài)理解，到了高中通過學(xué)習(xí)理解了物體處于非平衡狀態(tài)作用力與反作用力關(guān)系仍成立；初中主要學(xué)習(xí)物體之間的作用力與反作用力關(guān)系，到了高中通過學(xué)習(xí)理解了物體內(nèi)部不同部分之間的作用力與反作用力關(guān)系；初中主要學(xué)習(xí)彈力的作用力與反作用力關(guān)系，到了高中通過學(xué)習(xí)理解了磁力（引力與斥力）、摩擦力的作用力與反作用力關(guān)系等，理解更全面、更深入了。②對相關(guān)物理概念的關(guān)聯(lián)性理解、知識結(jié)構(gòu)發(fā)展實現(xiàn)學(xué)習(xí)的進階。學(xué)生在初中學(xué)習(xí)牛頓第一定律和第三定律相對比較孤立，不明白兩個規(guī)律間的關(guān)系。到高中后學(xué)生學(xué)習(xí)了牛頓的三個定律，實現(xiàn)了從整體上理解牛頓運動定律的體系。打好了牛頓運動定律的基礎(chǔ)，以后的曲線運動、萬有引力與天體運動、功與能、沖量與動量等問題便能順利發(fā)展起來。③應(yīng)用物體概念、規(guī)律解決實際問題實現(xiàn)學(xué)生能力發(fā)展的進階。

（3）教學(xué)實踐生成的問題，沒有相應(yīng)的預(yù)設(shè)進階方法。在牛頓第二定律的進階教學(xué)中，有很多需要進階的輔助，但是受內(nèi)容限制，理論無法一一講清楚，如小桶及螺釘?shù)馁|(zhì)量要遠小于被拉小車的質(zhì)量時才能把小桶及螺釘?shù)闹亓Υ笮‘?dāng)作對小車的拉力，這個問題要等到學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第二定律、會解決連接體問題后才能明白。甚至平衡摩擦力，在實際操作中學(xué)生不平衡或不會平衡等實際操作的問題凸顯出來，這也是因為設(shè)計前測試題時沒有涉及相關(guān)題目，導(dǎo)致教師對學(xué)生的前認知沒有準備。

2.對大概念教學(xué)的體會

牛頓運動定律相關(guān)知識均在“力與運動”這一大概念之下，這一章緊緊圍繞著“力與運動”這根主線通過進階實現(xiàn)牛頓力學(xué)體系的理論構(gòu)建。牛頓第一定律定性說明力與運動關(guān)系，建立了力與慣性概念，確立了慣性參考系；牛頓第二定律定量說明力與運動狀態(tài)變化的關(guān)系；牛頓第三定律則定量說明了物體間及物體內(nèi)各部分間的相互作用關(guān)系。有了牛頓三個定律，人們便開啟了認知慣性系中動力學(xué)規(guī)律的大門。所以英國詩人A.Pope這樣贊譽牛頓：“大自然和自然定律都在黑暗中躲藏，上帝說，讓牛頓來吧！于是一切都有了光明?！币虼耍蟾拍钍墙虒W(xué)進階和學(xué)生學(xué)習(xí)進階的核心主線。

實踐“大概念”學(xué)習(xí)進階，有利于學(xué)生在更大空間和更長周期內(nèi)掌握物理學(xué)的研究方法和科學(xué)精神，有利于學(xué)生形成方法論和世界觀。比如本章蘊含了豐富的物理科學(xué)方法，包括理想實驗的方法、整體法與隔離法、控制變量法、圖像法與化曲為直、極限分析法等。這些方法植根于物理科學(xué)，但可以在更廣泛的自然科學(xué)甚至社會科學(xué)的研究中都能應(yīng)用。比如其中的整體法與隔離法，其實也是我們認識客觀世界的方法，比如我們想研究城市的霧霾，一定是既可以選擇城市整體狀況研究，也關(guān)注某些局部，所以這是一種思維的方法。在實際教學(xué)中因為整體法與隔離法需要轉(zhuǎn)換研究對象，所以很多學(xué)生都分不清質(zhì)量問題或者受力問題，但如果能從整體與局部的大觀念入手，尤其解決兩個物體加速度不同時所受外力問題，選用F合=m1a1+m2a2，可以使得思維更為深刻，解決問題的方法更為簡單，過程更為簡潔。

參考文獻：

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注：本論文為教育部人文社科類規(guī)劃課題“基于科學(xué)概念學(xué)習(xí)進階的教學(xué)設(shè)計模型研究”的階段性成果，課題批準號：13YJA880022。

編輯 趙飛飛endprint